柵控二極體半導體存儲器器件的製備方法
2023-05-17 10:26:16 1
專利名稱：柵控二極體半導體存儲器器件的製備方法
技術領域：
本發明屬於半導體存儲器器件製造技術領域，具體涉及ー種半導體存儲器器件的製備方法，特別涉及一種柵控ニ極管半導體存儲器器件的製備方法。
背景技術：
現在主流的浮柵電晶體的結構如圖1所示，包括在襯底101內形成的漏極102和源極103以及在襯底101之上形成的多晶矽柵極105、107，其中多晶矽柵極107與電氣連接，稱為控制柵，多晶矽柵極105是浮空的，稱之為「浮柵」。浮柵105通過絕緣介質層104 與襯底101隔離，並通過絕緣介質層106與控制柵107隔離。浮柵技術最早的應用領域是在 EPROM、EEPROM 中。浮柵電晶體的工作原理是利用浮柵上是否儲存有電荷或儲存電荷的多少來改變電晶體的閾值電壓，從而改變電晶體的外部特性，目前已經成為非易失性半導體存儲器的基礎器件結構。目前，隨著集成電路技術的不斷發展，MOSFET的尺寸越來越小，單位陣列上的電晶體密度也越來越高，MOSFET的源、漏極之間的漏電流，隨著溝道長度的縮小而迅速上升，這使得電子在浮柵上的保持特性受到嚴重影響，伴隨反覆地擦寫，通道絕緣膜會發生損傷，這ー損傷部分可能會使浮柵內的電子出現洩漏的現象。而且，傳統MOSFET的最小亞閾值擺幅(SS)被限制在60mv/dec，這限制了電晶體的開關速度。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提出一種能夠減小浮柵存儲器器件漏電流以及SS 值，從而可以提升浮柵存儲器器件的性能的半導體存儲器器件的製備方法。本發明提出的存儲器器件利用了正反饋的自増益原理。即，當ー個平面半導體器件摻雜依次為p-n-p-n摻雜類型吋，可以產生兩對相互依賴的三極體p-n-p及n-p-n，通常這兩個可以相互放大，而迅速使器件的電流増大，嚴重時導致器件擊穿。為了將這種現象合理地應用到薄膜半導體中，本發明提出了一種基於ZnO半導體材料的柵控ニ極管半導體存儲器。當浮柵電壓較高時，浮柵下面的溝道是η型，器件就是簡單的柵控pn結結構。通過背柵控制ZnO薄膜的有效η型濃度，再通過浮柵實現將η型ZnO反型為ρ型，又用NiO作為P型半導體，這樣就形成了 η-ρ-η-ρ的摻雜結構。而浮柵內的電荷多少又決定了這個器件的閾值電壓，從而實現了存儲器的功能。本發明提出的柵控ニ極管半導體存儲器器件的製備方法，具體步驟包括 提供ー個重摻雜的η型矽襯底；
在所述η型矽襯底之上形成第一種絕緣薄膜；
在所述第一種絕緣薄膜之上形成ー層ZnO層；
刻蝕所述ZnO層形成有源區；
在所述ZnO介質層之上形成第二種絕緣薄膜；
刻蝕所述第二種絕緣薄膜形成窗ロ，該窗ロ位於ZnO有源區的一端；在所述第二種絕緣薄膜上旋塗ー層具有第一種摻雜類型的旋塗介質，該旋塗介質與所述第二種絕緣薄膜的窗ロ處與ZnO接觸；
利用高溫擴散エ藝在所述ZnO介質層內的所述第二種絕緣薄膜的窗ロ處形成具有第 ー種摻雜類型的摻雜區，即源區，其它部位的SiO因有第二種絕緣薄膜阻擋而未被摻雜； 剝除剰餘的具有第一種摻雜類型的旋塗介質；
通過光刻定義出圖形，刻蝕所述第二種絕緣薄膜定義出漏區、溝道區的位置，其中漏區在ZnO有源區上與源區相反的一側，溝道區在源區和漏區之間； 澱積形成第三種絕緣薄膜；
澱積第一層導電材料作為浮柵導電材料，通過光刻及刻蝕，定義出浮柵導電材料的浮柵區圖形，所述浮柵區圖形為方塊狀，介於ZnO有源區之上的源區和ZnO另一端邊緣的漏區之間，所述浮柵區與源區不直接相鄰，其間距為10納米至100微米，所述浮柵區與ZnO的邊緣距離為10納米至100微米；
覆蓋所述浮柵及有源區的暴露部位形成第四種絕緣薄膜；
刻蝕掉源區和漏區之上的所述第四種絕緣薄膜定義出漏極接觸孔、源極接觸孔的位
置；
澱積形成第二種導電薄膜並刻蝕所述第二種導電薄膜形成分別獨立的漏極電極、柵極電極、源極電扱，其中源極電極通過源極接觸孔接觸到浮柵區的一側的源區上，漏區電極通過漏區接觸孔接觸到浮柵區的另ー側的ZnO漏區上，柵極電極覆蓋在所述浮柵區之上的未被刻蝕的第四種絕緣薄膜之上。進ー步地，所述的柵控ニ極管半導體存儲器器件的製造方法，其特徵在幹，所述的第一種絕緣薄膜為氧化矽，其厚度範圍為1-500納米。更進一歩地，所述的柵控ニ極管半導體存儲器器件的製造方法，其特徵在幹，所述的第二種絕緣薄膜為氧化矽或者氮化矽，所述的第三種、第四種絕緣薄膜為Si02、Si3N4或者 HfO2等高介電常數材料，所述的ZnO介質層的厚度範圍為1-100納米，所述的第一、ニ種導電薄膜為重摻雜多晶矽、銅、鎢、鋁、氮化鈦或者為氮化鉭，所述的第一種摻雜類型為P型摻
,A ο本發明所提出的柵控ニ極管半導體存儲器器件的製造方法エ藝過程簡單、製造成本低，而且所製造的存儲器器件具有大驅動電流、小亞閾值擺幅的優點，特別適用於基於柔性襯底的存儲器器件以及平板顯示、浮柵存儲器等器件的製造中。
圖1為現有的浮柵電晶體的結構示意圖。圖2-圖9為本發明所公開的柵控ニ極管半導體存儲器器件的製造方法的ー個實施例的製造エ藝流程圖。
具體實施例方式下面將參照附圖對本發明的一個示例性實施方式作詳細說明。在圖中，為了方便說明，放大或縮小了層和區域的厚度，所示大小並不代表實際尺寸。儘管這些圖並不能完全準確的反映出器件的實際尺寸，但是它們還是完整的反映了區域和組成結構之間的相互位置，特別是組成結構之間的上下和相鄰關係。參考圖是本發明的理想化實施例的示意圖，本發明所示的實施例不應該被認為僅限於圖中所示區域的特定形狀，而是包括所得到的形狀，比如製造引起的偏差。例如刻蝕得到的曲線通常具有彎曲或圓潤的特點，但在本發明實施例中，均以矩形表示，圖中的表示是示意性的，但這不應該被認為是限制本發明的範圍。同時在下面的描述中，所使用的術語襯底可以理解為包括正在エ藝加工中的半導體襯底，可能包括在其上所製備的其它薄膜層。首先，在提供的重摻雜η型雜質離子的矽襯底201上氧化生長ー層約20納米厚的氧化矽薄膜202，接著採用原子層澱積的方法在氧化矽薄膜202之上澱積ー層約10納米厚 ZnO薄膜203，然後採用旋塗的方法在ZnO薄膜203之上形成ー層ニ氧化矽薄膜204。澱積光刻膠301並掩膜、曝光、顯影形成圖形，然後刻蝕ニ氧化矽薄膜204形成窗 ロ，如圖2所示。接下來，剝除光刻膠301，並旋塗一層摻雜有ρ型雜質離子的旋塗介質(在本發明實施例中選用S0D-P507)205，如圖3所示。然後通過擴散エ藝在ZnO薄膜203內形成ρ型摻雜區206，剝除旋塗介質205後如圖4所示。澱積ー層新的光刻膠302並掩膜、曝光、顯影形成圖形，然後刻蝕ニ氧化矽薄膜 204定義出漏極與柵極的位置，如圖5所示。剝除光刻膠302後，澱積ー層高介電常數材料207，高介電常數材料207比如為 HfO2，如圖6所示。接下來，澱積ー層多晶矽薄膜，並刻蝕所澱積的多晶矽薄膜形成器件的浮置柵極 208，然後在浮柵208之上形成絕緣介質層209，比如為氧化矽，如圖7所示。接下來，再次澱積ー層光刻膠並通過光刻エ藝形成圖形，然後刻蝕高介電常數材料207定義出漏極與源極的位置，剝除光刻膠後如圖8所示。最後，澱積ー層金屬導電薄膜，比如為鋁，然後通過光刻エ藝與刻蝕エ藝形成器件的漏極電極210、柵極電極211、源極電極212，如圖9所示。如圖9所示的器件結構，由於ZnO具有η型半導體的特徵，當對源極、漏極施加正向偏置吋，若對柵極施加正電壓，則器件結構等效為施加正向偏置的PV結結構，器件導通。 若對柵極施加負電壓，則在浮柵208下方所述ZnO介質層203內形成ρ型區域，器件等效為 ρ-η-ρ-η結結構，器件截止。如上所述，在不偏離本發明精神和範圍的情況下，還可以構成許多有很大差別的實施例。應當理解，除了如所附的權利要求所限定的，本發明不限於在說明書中所述的具體實例。
權利要求
1.一種柵控ニ極管半導體存儲器器件的製備方法，其特徵在於具體步驟包括 提供ー個重摻雜的η型矽襯底；在所述η型矽襯底之上形成第一種絕緣薄膜； 在所述第一種絕緣薄膜之上形成ー層ZnO層； 刻蝕所述ZnO層形成有源區； 在所述ZnO介質層之上形成第二種絕緣薄膜； 刻蝕所述第二種絕緣薄膜形成窗ロ，該窗ロ位於ZnO有源區的一端； 在所述第二種絕緣薄膜上旋塗ー層具有第一種摻雜類型的旋塗介質，該旋塗介質與所述第二種絕緣薄膜的窗ロ處與ZnO接觸；利用高溫擴散エ藝在所述ZnO介質層內的所述第二種絕緣薄膜的窗ロ處形成具有第 ー種摻雜類型的摻雜區，即源區，其它部位的SiO因有第二種絕緣薄膜阻擋而未被摻雜； 剝除剰餘的具有第一種摻雜類型的旋塗介質；通過光刻定義出圖形，刻蝕所述第二種絕緣薄膜定義出漏區、溝道區的位置，其中漏區在ZnO有源區上與源區相反的一側，溝道區在源區和漏區之間； 澱積形成第三種絕緣薄膜；澱積第一層導電材料作為浮柵導電材料，通過光刻及刻蝕，定義出浮柵導電材料的浮柵區圖形，所述浮柵區圖形為方塊狀，介於SiO有源區之上的源區和ZnO另一端邊緣的漏區之間，所述浮柵區與源區不直接相鄰，其間距為10納米至100微米，所述浮柵區與ZnO的邊緣距離為10納米至100微米；覆蓋所述浮柵及有源區的暴露部位形成第四種絕緣薄膜；刻蝕掉源區和漏區之上的所述第四種絕緣薄膜定義出漏極接觸孔、源極接觸孔的位置；澱積形成第二種導電薄膜並刻蝕所述第二種導電薄膜形成分別獨立的漏極電極、柵極電極、源極電扱，其中源極電極通過源極接觸孔接觸到浮柵區的一側的源區上，漏區電極通過漏區接觸孔接觸到浮柵區的另ー側的ZnO漏區上，柵極電極覆蓋在所述浮柵區之上的未被刻蝕的第四種絕緣薄膜之上。
2.根據權利要求1所述的柵控ニ極管半導體存儲器器件的製備方法，其特徵在幹，所述的第一種絕緣薄膜為氧化矽，其厚度範圍為1-500納米。
3.根據權利要求1所述的柵控ニ極管半導體存儲器器件的製備方法，其特徵在幹，所述的第二種絕緣薄膜為氧化矽或者氮化矽。
4.根據權利要求1所述的柵控ニ極管半導體存儲器器件的製備方法，其特徵在幹，所述的第三種、第四種絕緣薄膜為Si02、Si3N4或者HfO2高介電常數材料。
5.根據權利要求1所述的柵控ニ極管半導體存儲器器件的製造方法，其特徵在幹，所述的ZnO介質層的厚度範圍為1-100納米。
6.根據權利要求1所述的柵控ニ極管半導體存儲器器件的製備方法，其特徵在幹，所述的第一、ニ種導電薄膜為重摻雜多晶矽、銅、鎢、鋁、氮化鈦或者為氮化鉭。
7.根據權利要求1所述的柵控ニ極管半導體存儲器器件的製備方法，其特徵在幹，所述的第一種摻雜類型為P型摻雜。
全文摘要
本發明屬於半導體存儲器器件製造技術領域，具體公開了一種柵控二極體半導體存儲器器件的製備方法。本發明中，當浮柵電壓較高時，浮柵下面的溝道是n型，器件就是簡單的柵控pn結結構；通過背柵控制ZnO薄膜的有效n型濃度，通過浮柵實現將n型ZnO反型為p型，又用NiO作為p型半導體，形成n-p-n-p的摻雜結構。浮柵內的電荷多少又決定了這個器件的閾值電壓，從而實現了存儲器的功能。本發明工藝過程簡單、製造成本低，所製造的存儲器器件具有大驅動電流、小亞閾值擺幅的優點，特別適用於基於柔性襯底的存儲器器件以及平板顯示、浮柵存儲器等器件的製造中。
文檔編號H01L21/8254GK102543891SQ201210001549
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月5日 優先權日2012年1月5日
發明者孫清清, 張衛, 曹成偉, 王鵬飛 申請人:復旦大學